This paper presents a damage assessment procedure applied to periodic spring mass systems using an eigenvalue sensitivity-based method. The damage is directly related to the stiffness reduction of the damage element. The natural frequencies of periodic structures with one single disorder are found by adopting the transfer matrix approach, consequently, the first order approximation of the natural frequencies with respect to the disordered stiffness in different elements is used to form the sensitivity matrix. The analysis shows that the sensitivity of natural frequencies to damage in different locations depends only on the mode number and the location of damage. The stiffness changes due to damage can be identified by solving a set of underdetermined equations based on the sensitivity matrix. The issues associated with many possible damage locations in large structural systems are addressed, and a means of improving the computational efficiency of damage detection while maintaining the accuracy for large periodic structures with limited available measured natural frequencies, is also introduced in this paper. The incomplete measurements and the effect of random error in terms of measurement noise in the natural frequencies are considered. Numerical results of a periodic spring-mass system of 20 degrees of freedom illustrate that the proposed method is simple and robust in locating single or multiple damages in a large periodic structure with a high computational efficiency.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.3
no.1
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pp.1-7
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2003
For system identification of large structures, it is not practical to identify the entire structure due to the prohibitive computational time and difficulty in numerical convergence. This paper explores the possibility of performing system identification at substructure level, taking advantage of reduction in both the number of unknowns and the number of degrees of freedom involved. Another advantage is that different portions (substructures) of a structural system can be identified independently and even concurrently with parallel computing. Two substructural identification methods are formulated on the basis whether substructural approach is used to obtain first-order or second-order model. For substructural first-order model, identification at the substructure level will be performed by means of the Observer/Kalman filter Identification (OKID) and the Eigensystem Realization Algorithm (ERA) whereas identification at the global level will be performed to obtain second-order model in order to evaluate the system's stiffness and mass parameters. In the case of substructural second-order model, identification will be performed at the substructure level throughout the identification process. The efficiency of the proposed technique is shown by numerical examples for multi-storey shear buildings subjected to random forces, taking into consideration the effects of noisy measurement data. The results indicate that both the proposed methods are effective and efficient for damage identification of large structures.
The natural frequencies of continuous systems depend on the governing partial differential equation and can be numerically estimated using the finite element method. The accuracy and convergence of the finite element method depends on the choice of basis functions. A basis function will generally perform better if it is closely linked to the problem physics. The stiffness matrix is the same for either static or dynamic loading, hence the basis function can be chosen such that it satisfies the static part of the governing differential equation. However, in the case of a rotating beam, an exact closed form solution for the static part of the governing differential equation is not known. In this paper, we try to find an approximate solution for the static part of the governing differential equation for an uniform rotating beam. The error resulting from the approximation is minimized to generate relations between the constants assumed in the solution. This new function is used as a basis function which gives rise to shape functions which depend on position of the element in the beam, material, geometric properties and rotational speed of the beam. The results of finite element analysis with the new basis functions are verified with published literature for uniform and tapered rotating beams under different boundary conditions. Numerical results clearly show the advantage of the current approach at high rotation speeds with a reduction of 10 to 33% in the degrees of freedom required for convergence of the first five modes to four decimal places for an uniform rotating cantilever beam.
For a given structural geometry, the stiffness and damping parameters of the soil and the dynamic response of the structure may change in the face of an equivalent linear soil behavior caused by a strong earthquake. Therefore, the influence of equivalent linear soil behavior on the impedance functions form and the seismic response of the soil-structure system has been investigated. Through the substructure method, the seismic response of the selected structure was obtained by an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. Also, the dynamic response of the soil-structure system for a nonlinear soil behavior and for the two types of impedance function forms was also analyzed by 2D finite element modeling using ABAQUS software. The numerical results were compared with those of the analytical solution. After the investigation, the effect of soil nonlinearity clearly showed the critical role of soil stiffness loss under strong shaking, which is more complex than the linear elastic soil behavior, where the energy dissipation depends on the seismic motion amplitude and its frequency, the impedance function types, the shear modulus reduction and the damping increase. Excellent agreement between finite element analysis and analytical results has been obtained due to the reasonable representation of the model.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.203-213
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2004
This study investigates the seismic responses of two structures connected by a sky-bridge equipped with viscoelastic dampers (VED) at the bridge-building connections. The applicability of the method is verified first by observing RMS (root-mean-squared) responses of two-degrees-of-freedom systems subjected to white noise ground excitation. Then model structures with various number of stories are analyzed using earthquake ground motions to observe the effect of the varying size of VED on the reduction of dynamic responses. According to the analysis results, there exists a proper size of VED which minimizes the structural responses. It is also observed that the effectiveness of VED increases as the difference of natural frequencies between the two connected structures increases.
Dong-Hee Choi;Jae-Min Jeon;Min-Ju Maeng;Jeong-Hyeon Kim;Bo Woo Nam
Ocean Systems Engineering
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v.14
no.3
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pp.277-299
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2024
In this study, the wave-induced motion responses of modular floating structures (MFS) was investigated through a series of experiments in a two-dimensional wave tank. A 1:63 scale model test was conducted using a 1-by-2 modular floating structure consisting of two modules and connectors. Two different types of connectors were considered: a pitch-free hinge and rigid connector. The numerical analysis was performed based on the higher-order boundary element method (HOBEM) and wave Green function with potential flow theory. First, the heave and pitch RAOs of the modules from the regular wave tests were directly compared with numerical analysis results. Next, the motion spectra and their statistical values from the irregular wave tests were compared with the numerical analysis results. The study revealed that the sheltering effect of the weather side module led to a reduction in motion of the lee side module. The numerical analysis showed good agreement with the experimental data, demonstrating the validity of the numerical method. Additionally, the rigid connector, which strongly constrain all six degrees of freedom, significantly reduce pitch motion, making the modules behave as a single rigid body.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.2
s.233
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pp.188-200
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2005
Control of a multi-fingered robotic hand is usually based on the theoretical analysis for kinematics and dynamics of fingers and of object. However, the implementation of such analyses to robotic hands is difficult because of errors and uncertainties in the real situations. This article presents the control method for estimating the kinematic constraint of an unknown object by active sensing. The experimental system has a two-fingered robotic hand suspended vertically for manipulation in the vertical plane. The fingers with three degrees-of-freedom are driven by wires directly connected to voice-coil motors without reduction gears. The fingers are equipped with three-axis force sensors and with dynamic tactile sensors that detect slippage between the fingertip surfaces and the object. In order to make an accurate estimation for the kinematic constraint of the unknown object, i.e. the constraint direction and the constraint center, four kinds of the active sensing and feedback control algorithm were developed: two position-based algorithms and two force-based algorithms. Furthermore, the compound and effective algorithm was also developed by combining two algorithms. Force sensors are mainly used to adapt errors and uncertainties encountered during the constraint estimation. Several experimental results involving the motion of lifting a finger off an unknown object are presented.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.53
no.1
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pp.10-17
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2016
When a planing hull straightly runs and turns, its floating position and pitch angle are changed depending on its speed, and large transient motion happens. In this paper, six degrees of freedom(6 DOF) equations of motion, which could simulate the motion of a planing hull, are established. Static and dynamic forces in vertical plane are modeled using pre-calculated displacements and metacentric heights depending on various draft, lift under bottom, and vertical damping coefficients which are used to tune the final motion. Hydrodynamic coefficients in horizontal plane at various equilibrium state are calculated by using Lewandowski's empirical formula and the speed-dependent equilibrium state are calculated beforehand by Savitsky's formula. The speed effects are considered by curve-fitting the coefficients at various speed to the polynomials. Accelerating, decelerating and backing, turning, and zig-zag are simulated and compared with the sea trial results, and it is confirmed that the speed reduction, roll, and pitch during such maneuvers of sea trial and simulation are well consistent.
The selective harmonic elimination pulse width modulation (SHEPWM) switching strategy has been applied to multilevel inverters to remove low harmonics. Naturally, the related equations do not have feasible solutions for some operating points associated with the modulation index (M). However, with these infeasible points, minimizing instead of eliminating harmonics is performed. Thus, harmful harmonics such as the $5^{th}$ harmonic still remains in the output waveform. Therefore, it is proposed in this paper to ignore solving the equation associated with the highest order harmonics. A reduction in the eliminated harmonics results in an increase in the degrees of freedom. As a result, the lower order harmonics are eliminated in more operating points. A 9-level inverter is chosen as a case study. The genetic algorithm (GA) for optimization purposes is used. Simulation results verify the proposed method.
Kim, Kook-Hyun;Kim, Jin-Hyeong;Choi, Tae-Muk;Kim, Yun-Hwan;Cho, Dae-Seung
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.23
no.6
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pp.77-81
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2009
The radar cross section (RCS) of a warship is one of the most important design features in terms of her survivability in hostile environments. Ocean waves continuously changes the attitude of an objective warship to hostile radar and distorts the RCS as a result. This paper presents a dynamic RCS analysis technique and procedure that considers temporal ship motion. First, data sets are prepared for ship motions in 6 degrees of freedom, which are numerically simulated for an objective warship via frequency to time domain conversion with response amplitude operators and specified ocean wave spectra. Second, a series of RCS analysis models are transformed geometrically by referring to ship motion data sets. Finally, temporal RCS analyses are carried out with the RCS simulation code, SYSCOS. As an example, RCS analysis results are given for a virtual warship, which show that ship motions temporally change RCS values and cause RCS reduction compared with static value in terms of mean values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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